0

[DISSENY D’UNA MOTOCICLETA]

Nom: Joan Solanelles Betriu

Curs: 2n BATX A, 2012-2013

Àmbit: Tecnològic

Departament: Tecnologia

Nom del professor: Joaquim Clotet

Centre: INS Francesc Ribalta

Data de presentació: 18/10/12

1

Índex

1. Introducció .......................................................................................... 3

2. Explicació principal ............................................................................. 4

2.1. Tipus de motocicletes ................................................................... 4

2.2. Classificació general segons el tipus de funció ............................. 6

2.3. Plantejament ................................................................................. 6

3. El motor .............................................................................................. 7

3.1. Avantatges i inconvenients de cada motor .................................... 8

3.1.1. Motors de combustió interna ................................................... 8

3.1.2. Motors elèctrics ....................................................................... 9

3.1.3. Conclusió .............................................................................. 10

3.2. Decisió ........................................................................................ 11

3.3. El motor elèctric .......................................................................... 12

3.4. Motor elèctric alimentat per bateries ........................................... 14

3.4.1. El motor asíncron trifàsic de rotor en curtcircuit ....................... 15

3.4.2. Parts del motor ...................................................................... 16

3.4.3. Funcionament ....................................................................... 17

3.4.4. Velocitat del motor ................................................................ 18

3.5. Bateries ...................................................................................... 19

3.6. Inversor de corrent ...................................................................... 23

3.6.1. Tipus d’inversors ................................................................... 24

3.6.2. Inversor de pont complet a fons ............................................ 25

3.7. Marxes de la motocicleta ............................................................ 27

3.7.1. El reòstat ............................................................................... 28

2

3.7.2. Transistors encarregats de variar la intensitat ....................... 30

3.7.3. Engranatges, corretja i radi de la roda................................... 31

3.8. Accelerador ................................................................................ 33

3.8.1. Funcionament del variador de freqüència ............................. 33

3.8.2. Càlcul del rang de freqüències .............................................. 34

3.9. Desfasament del corrent ............................................................. 39

3.10.1 Bobines ................................................................................ 39

3.9.2. Transistors MOSFET ............................................................ 40

3.9.3. Decisió .................................................................................. 41

4. El generador elèctric ......................................................................... 42

4.1. Explicació principal ..................................................................... 43

4.2. Funcionament ............................................................................. 44

4.3. Sistema de transmissió ............................................................... 45

4.3.1. Sistema d’embragatge .......................................................... 46

4.4. El díode ...................................................................................... 47

5. Circuit elèctric general ...................................................................... 48

6. Conclusions ...................................................................................... 49

7. Agraïments ....................................................................................... 50

8. Bibliografia i bibliografia web ............................................................ 51

9. Apèndix 1: Explicació dels motors

10. Apèndix 2: Bibliografia i bibliografia web de les imatges

11. Annex: Components principals de la motocicleta

3

1. Introducció

Primer de tot m’agradaria presentar la meva situació i les meves intencions. Em

trobo en una edat en què he de començar a pensar en el meu futur. Em sento atret

per diferents àmbits, però dins d’aquests, n’hi ha uns que m’atreuen encara més,

que són la tecnologia i la física.

Per això m’he plantejat fer el disseny d’una motocicleta. Però a què em refereixo

quan dic a fer el disseny d’una motocicleta? De fet, al principi, ni jo mateix sabia a

què em referia, però tenia molt clar que ho volia fer, volia i vull investigar-ne tot el

funcionament i perquè està feta d’aquesta manera i no d’una altra.

En un principi tenia pensat fer-ne l’estudi de l’estructura, disseny del xassís, de la

geometria... però a mida que vaig anar avançant el treball, em vaig anar centrant

més en la part del motor, fins al punt que el treball principal tractarà de la part del

motor i en un annex parlaré de la geometria de la motocicleta.

Aquest treball de recerca, a més de ser per informar als altres, també serà perquè jo

pugui descobrir allò que desconec de les motocicletes.

La meva intenció és elegir un tipus de motocicleta concreta, investigar-ne les parts i

dissenyar-ne una que s'adapti a unes condicions prèvies.

A més a més, vull que sigui respectuosa amb el medi ambient.

Aquesta moto no la construiré de veritat, tot i que m’agradaria fer-ho, però em resulta

massa car.

4

2. Explicació principal

L’Institut d’Estudis Catalans defineix motocicleta com: “Vehicle automòbil de dues

rodes, proveït de motor de combustió interna, que pot transportar un passatger o

dos”.

A aquesta definició caldria afegir-hi que amb l’evolució de la motocicleta (estructures

híbrides, motors elèctrics…) no és necessari que el motor sigui de combustió interna.

La motocicleta va néixer de la incorporació d’un motor a un xassís rígid de bicicleta

(1890).

La motocicleta ha anat evolucionant al llarg del temps, de manera que s’hi ha anat

incorporant noves millores:

Al 1890, s’incorpora un motor a un xassís rígid de bicicleta.

Al 1910, apareix la suspensió davantera amb elements deformables.

Al 1930, s’incorporen a la motocicleta les suspensions posteriors

(basculant).

Al 1950, la suspensió davantera es converteix en forquilla telescòpica.

Al 1980, s’introdueix el xassís de doble biga.

Al 1990, la geometria de xassís i suspensions canvien totalment.

2.1. Tipus de motocicletes

Per dividir les motocicletes en subgrups cal fer-ne una anàlisi de l’estructura i, per

això, coneixerem els elements principals que la formen:

1. Xassís: estructura que suporta, en molts casos, el motor i el conductor;

uneix el basculant amb la forquilla davantera.

5

2. Basculant: part que uneix el xassís amb la roda posterior. En alguns casos

fa de suport del motor.

3. Forquilla davantera: uneix el xassís amb la roda davantera, la qual està

dotada dels elements de control de direcció i de la suspensió davantera.

Una vegada sabem la definició bàsica d’aquests tres elements ja podem passar a

dividir les motocicletes en quatre subgrups:

Convencionals: el motor va encaixat dins el xassís, que el suporta; el sistema

de transmissió de l’energia mecànica a la roda posterior es fa mitjançant

cadena, corretja dentada o càrdan, els tres elements anteriorment descrits

estan totalment diferenciats.

Escúters: el motor va enganxat al basculant, el sistema de transmissió sol ser

per càrdan, a causa de la proximitat del motor a la roda posterior, fins i tot

alguns models ajunten el motor a la roda posterior.

Especials: dissenys en què l’estructura de la motocicleta és una mica diferent

a la de les més comunes; hi ha casos en què tenen la funció de direcció i la

funció de suspensió davantera separades per tal d’aconseguir que l’una no

afecti el funcionament de l’altra.

Altres: aquest grup està format per les motocicletes amb estructures o

complements diferents com, per exemple, una motocicleta amb sidecar.

1

6

2.2. Classificació general segons el tipus de funció

Ciclomotor : motocicleta de poca potència, feta per anar per zones urbanes de

trajectes curts.

Ciclomotor scooter: ciclomotor de més potència.

Chopper: motocicleta molt estable, feta per anar per carretera.

Competició: motocicleta de molta potència dissenyada per córrer per un circuit

asfaltat.

Cros: motocicleta de molta potència, alt parell1 i suspensions amb molt

recorregut, feta per anar per circuits de terra amb salts i peralts.

Enduro: motocicleta de molta potència, alt parell i suspensions amb molt

recorregut feta per anar per camins.

Cruiser: motocicleta amb la forquilla molt inclinada i llarga, gran cilindrada,

dissenyada per anar per carretera.

Naked: motocicleta de carretera sense carenat.

Semi carenada: motocicleta de carretera poc carenada.

Supermotard: motocicleta tipus enduro però dissenyada per anar per asfalt.

Trial: motocicleta molt lleugera, feta per superar obstacles.

2.3. Plantejament

La motocicleta proposada serà de tipologia convencional i de competició. La

intenció és que sigui una motocicleta que s’adapti al Circuit de Catalunya.

1 Parell: força que pot transmetre una motocicleta al terra respecte el diàmetre de la seva roda.

7

3. El motor

En aquest apartat veurem diferents tipus de motors que podríem posar a la

motocicleta, en diré els avantatges i els inconvenients, els explicaré en un apèndix i,

finalment, en triaré un explicant el perquè de la tria.

Si en algun moment sorgeix algun dubte sobre els motors, recomano fer un cop d’ull

a l’apèndix: explicació dels motors.

Un motor és una màquina que té la capacitat de transformar l’energia

emmagatzemada en combustibles, bateries o altres fonts en energia mecànica. En el

cas de les motocicletes, aquesta energia mecànica s’utilitza per fer girar la roda i,

així, dotar de moviment el vehicle.

Principalment hi ha dos tipus de motors que es podrien ficar a la motocicleta:

-Motor de combustió interna

·Otto

·Dièsel

·Wankel

-Motor elèctric

·Alimentat per la unió d’hidrogen i

oxigen

·Alimentat per bateries

2

3

4

8

3.1. Avantatges i inconvenients de cada motor

3.1.1. Motors de combustió interna

Pistó alternatiu

Aquests motors obtenen l’energia mecànica (el desplaçament del vehicle) mitjançant

l’energia química del combustible. Però no tota l’energia química del combustible es

transforma en energia mecànica, se’n perd una gran part en forma de calor i en

forma de fregament. A més, el pistó s’ha d’aturar i tornar a moure molts cops per

segon, i això també és una causa de la pèrdua d’energia.

La relació entre l’energia aportada (energia química) i l’obtinguda (energia mecànica)

s’anomena rendiment. La següent fórmula ens donarà el rendiment del nostre

vehicle en %:

η = energia obtinguda / energia aportada · 100

Otto Dièsel

Pèrdues tèrmiques 60% - 65% 50% - 60%

Pèrdues mecàniques 10% - 15% 10% - 15%

Total pèrdues 70% - 75% 60% - 70%

Rendiment 25% - 30% 30% - 40%

En la taula anterior podem veure que aquests motors tenen un rendiment molt baix.

Això és degut a l’escalfament a què estan sotmesos.

A part del seu baix rendiment, aquests motors contaminen molt. El resultat de la

combustió de gasolina o gasoil és CO2 majoritàriament, que s’allibera a l’atmosfera i

perjudica greument el medi ambient.

El seu gran avantatge és que són simples i alguns d’aquests pesen poc, motius pels

quals serien idonis per a una motocicleta. A més, tenen molta autonomia.

9

Pistó rotatiu

Avantatges

El seu rendiment mecànic és molt alt, ja que el rotor no s’ha d’aturar com els

de pistó alternatiu. A més, aquest rotor ja ofereix moviment rotatiu i no

necessita el mecanisme de biela i cigonyal (una altra causa de pèrdues

mecàniques).

El rotor té el triple de dents que l’eix al qual passa el moviment, això significa

que gira tres vegades més lentament que aquest eix. Això representa un clar

avantatge, ja que augmenta la fiabilitat de la frenada.

Poques vibracions comparat amb els motors de pistó alternatiu.

Menys pes en tenir menys mecanismes que els motors de pistó alternatiu.

Inconvenients

El seu manteniment és molt costós a causa de ser un motor poc expandit.

El seu consum és alt per la forma allargada de les cambres de combustió i la

baixa compressió que aquestes ofereixen.

El rendiment és baix, tenen poques pèrdues mecàniques però tenen més

pèrdues tèrmiques que els motors de pistó alternatiu.

3.1.2. Motors elèctrics

Avantatges

El seu rendiment total és molt alt, ja que no s’escalfen com els tèrmics. Això

significa que poden arribar a un rendiment d’entre el 75% i el 90%.

No emeten CO2 a l’atmosfera ni cap altre contaminant. Si l’electricitat amb la

qual s’han carregat les bateries o s’ha fet la hidròlisi prové de fonts d’energia

renovables, la motocicleta és 100% ecològica.

10

El preu que resulta recórrer certs quilòmetres amb una motocicleta elèctrica

és molt més baix que el preu que resulta recórrer-los amb una motocicleta de

motor tèrmic.

Inconvenients

No tenen tanta potència com un motor de combustió tèrmica.

3.1.3. Conclusió

La motocicleta, malgrat que no pugui arribar a assolir velocitats tan altes com amb

d’altres motors, tindrà un motor elèctric perquè com que no emet CO2 a l’atmosfera,

no contaminarà, que era l’objectiu principal del projecte, i, a més, aprofitarà l’energia

consumida al màxim, cosa que en els motors de combustió interna no és possible

avui dia.

Però què és millor, alimentar la motocicleta amb bateries o amb la combinació

d’hidrogen i oxigen?

Bateries

Avantatges

Més barates que el dipòsit d’hidrogen i la pila de combustible.

Molt simples amb comparació amb l’altre mètode.

Inconvenients

Pesen molt.

Poca autonomia.

Temps de vida molt limitat.

Temps de càrrega molt llarg.

11

Combinació d’hidrogen i oxigen

Avantatges

Té molta més autonomia.

Ocupa menys espai.

Inconvenients

La pila de combustible pesa molt i és molt cara.

L’hidrogen és altament inflamable, per la qual cosa resulta molt perillós.

3.2. Decisió

Atès que serà una motocicleta de competició que assolirà grans velocitats dins d’un

circuit i que, per tant, podria caure en entrenaments i patir accidents. Tenint en

compte que l’hidrogen és altament inflamable, la motocicleta anirà amb bateries, ja

que si l’hidrogen s’inflamés provocaria una explosió molt gran.

Si no fos per aquest inconvenient, hauria triat l’altre tipus, ja que clarament és molt

millor.

12

3.3. El motor elèctric

Un motor elèctric és una màquina dissenyada per transformar energia elèctrica en

energia mecànica, és a dir, permet obtenir moviment a partir d’electricitat.

Com funciona un motor elèctric?

Primer de tot hem de mentalitzar-nos que el motor elèctric està format per dos parts,

una de fixa (estator) i una altra de mòbil (rotor). Una d’aquestes parts està formada

per imants i l’altra per un bobinat per on fem circular corrent elèctric (és indiferent si

l’estator són els imants o si és el bobinat).

Per entendre-ho millor, en posaré un exemple:

Imagineu-vos que la part fixa són els imants i la part mòbil és el bobinat (tal i com es

veu a la imatge número 5):

Aquests motor es basa en el principi de funcionament que diu que en fer passar

corrent elèctric per un conductor (bobina) que es troba sota l’acció d’un camp

magnètic, aquest tendeix a desplaçar-se perpendicularment a les línies d’acció del

camp magnètic.

Per dir-ho d’alguna manera, en fer passar corrent elèctric per un conductor, aquest

passa a funcionar com un electroimant, fent que per on entra el corrent elèctric sigui

el pol nord de l’imant, i per on surt, el pol sud. I què passa quan el pol sud es troba

bobina

escombreta

col·lector 5

13

amb l’altre pol sud de l’imant de l’estator? Doncs que aquests es repel·len, cosa que

provoca el moviment que estàvem buscant.

A la imatge hi podem observar un motor elèctric que funciona amb corrent continu.

Gràcies a les escombretes i al col·lector, el pol de “l’electroimant” que es troba al

costat de l’imant de l’estator sempre serà del mateix pol que el d’aquest, d’aquesta

manera sempre que passi corrent per dins el conductor, el bobinat tendirà a girar.

Si el motor fos de corrent altern, com que aquest ja canvia el sentit per si sol, no

caldria disposar d’escombretes i col·lector.

Dins dels motors elèctrics, n’existeixen de diferents tipus:

Motors de corrent continu

·D’excitació independent

·D’excitació sèrie

·D’excitació o derivació

·D’excitació composta

Motors de corrent altern

·Motors síncrons

·Motors asíncrons

-Monofàsics

De bobinat auxiliar

D’espira en curtcircuit

Universal

-Trifàsics

De rotor bobinat

De rotor en curtcircuit

14

3.4. Motor elèctric alimentat per bateries

En l’apartat anterior hem vist que hi ha diferents tipus de motors.

Primerament, els motors elèctrics es divideixen en dos grans grups: de corrent

continu i de corrent altern. Els de corrent continu són motors que van perfectament

bé a la motocicleta, ja que funcionen amb el mateix tipus de corrent que ofereixen

les bateries, però, malauradament, no són tan potents com els de corrent altern, ja

que als de corrent continu fan falta escombretes, que produeixen un fregament que

redueix la potència útil del motor.

Indubtablement aquesta motocicleta necessita un motor de corrent altern, ja que a

més, són motors que no requereixen molt manteniment. Però com ho fem per

convertir el corrent continu de les bateries en corrent altern? Molt fàcil, amb

inversors, que comentaré més endavant.

Motors de corrent altern

·Motors síncrons: la velocitat del rotor és la mateixa que la velocitat de

l’estator.

·Motors asíncrons: la velocitat del rotor és més petita que la velocitat de

l’estator.

-Monofàsics: dotats d’una sola fase (d’un sol cable per on hi

arriba corrent elèctric).

De bobinat auxiliar

D’espira en curtcircuit

Universal

-Trifàsics: dotats de tres fases (tres cables per on hi arriba

corrent elèctric).

De rotor bobinat

De rotor en curtcircuit

15

El motor d’aquesta motocicleta serà de corrent altern, asíncron, trifàsic i de rotor en

curtcircuit. Vegem-ne el funcionament del motor.

3.4.1. El motor asíncron trifàsic de rotor en curtcircuit

Principi de funcionament del motor asíncron

Com podem observar en la imatge número 6, a la part de dalt tenim un imant

en forma de “U” el qual té una manovella a sobre per fer-lo girar. A la part de

baix hi tenim un disc de material conductor, el qual està situat molt a prop dels

pols de l’imant.

En fer girar l’imant, les seves línies magnètiques travessen el conductor i fan

que aquest també giri, però a una velocitat angular menor que la de l’imant,

per aquest motiu se l’anomena asíncron.

Tot això ve donat per la llei de Faraday, és a dir, el principi d’inducció

magnètica, que diu que en el disc s’indueix una força electromotriu que, al ser

tot conductor, hi apareixen corrents elèctrics. Com que aquests corrents es

produeixen dins del camp magnètic de l’imant, s’originen unes forces que

posen el disc en moviment.

6

16

3.4.2. Parts del motor

Estator: és la part externa i fixa. Està compost per sis

bobinats que formen tres parells de pols, els quals seran

els encarregats de generar el camp magnètic que faran

girar el rotor. En la imatge número 7, podem veure que un

mateix cable forma dos bobinats, a més, el mateix cable

forma dos pols, un positiu (nord) i l’altre negatiu (sud).

Rotor: és la part interior i mòbil. Està constituït per barres

d’alumini curtcircuitades entre sí mitjançant dos anells

(un a cada extrem). Les barres estan una mica

inclinades per millorar l’arrencada del motor i disminuir-

ne els sorolls.

Ventilador: està unit al rotor i serveix per refredar el motor.

Caixa de borns: és on van a parar els dos extrems dels cables que formen els

bobinats, com que el motor és trifàsic i té tres parells de pols, hi ha tres borns

d’entrada i tres de sortida, que en passar-hi corrent altern s’intercanvien els papers

contínuament.

Coixinets: enllacen el rotor amb la carcassa.

8

7

9

17

3.4.3. Funcionament

El seu funcionament és complicat d’explicar, però amb l’ajuda d’aquests dos gràfics

pot resultar més fàcil:

A l’esquerra tenim el que seria l’estator del motor. Les línies vermella, verda i blava

representen els tres cables diferents, i els punts amb una lletra i un número al costat

representen els bobinats. Cal saber que la corrent d’un mateix cable passa per dos

bobines i aquestes es converteixen en un electroimant, on la primera per on passa el

corrent fa de pol nord i la segona de pol sud.

A la imatge de la dreta tenim els instants de temps respecte el voltatge. Com podem

veure, en l’instant 0 el cable vermell té voltatge positiu, és a dir, el corrent travessa el

cable d’esquerra a dreta. Això vol dir que els bobinats W1 i W2 fan d’electroimant, on

el W1 és el pol nord i el W2 el pol sud.

A la vegada, el cable blau té voltatge negatiu, cosa que significa que el corrent

travessa el cable de dreta a esquerra, fent que les bobines V2 i V1 funcionin com un

electroimant, però en aquest cas la V2 fa de pol sud i la V1 de pol nord.

En el mateix instant el cable verd té voltatge 0; és a dir, no hi passa corrent, per tant,

els seus bobinats no fan res.

D’aquesta manera en l’instant 0 tenim W1 i a V2 actuant de pol nord i a W2 i V1

actuant de pol sud. En l’instant 1 tenim a V2 i U1 actuant de pol nord i a V1 i U2

actuant de pol sud...i així successivament.

Si ens hi fixem, els pols nord i sud sempre estan al costat oposat de l’estator, mai

estan consecutius l’un de l’altre. A més, sempre hi ha dos bobines que fan de pol

10

18

nord, i dos bobines que fan de pol sud, i aquestes sí que sempre estan consecutives.

L’objectiu d’aquest motor és desplaçar els pols nord i sud al voltant de l’estator com

si es tractés del cas explicat anteriorment amb un imant i un disc, i així poder crear el

mateix efecte que creava l’imant sobre el disc, però fent servir els electroimants per

fer girar el rotor.

Podem dir que els pols avancen 60º cada instant.

3.4.4. Velocitat del motor

La velocitat de sincronisme (velocitat a la qual es “desplacen” els pols al voltant del

rotor) del motor ve donada pel nombre de parells de pols (p) i la freqüència (f) del

corrent:

nsinc = 60f / p

On la nsinc va en rpm (revolucions per minut) i la freqüència en Hz.

En augmentar la freqüència, les rpm també augmenten, però el parell del motor es

veu reduït.

En augmentar el parell de pols, les rpm disminueixen, però el parell del motor

augmenta.

Més endavant determinarem la velocitat a la qual ha de girar el motor.

19

3.5. Bateries

Són les encarregades d’aportar l’energia que han acumulat anteriorment al motor.

Però han d’emmagatzemar una gran quantitat d’energia i han d’aportar molta

potència; per això, s’utilitzen bateries d’alta capacitat i d’alt voltatge. N’existeixen dos

grans tipus:

Bateries de níquel-hidrur metàl·lic (NI-MH): el seu càtode (pol positiu) és d’hidrur

metàl·lic i el seu ànode (pol negatiu) d’hidròxid de níquel. Cada una de les seves

cèl·lules proporciona 1,2 V.

Bateries de ions de liti (Li-ió): poden acumular més quantitat d’electricitat amb menor

pes que les anteriors, duren més, tenen una auto descàrrega inferior i no tenen

efecte memòria2. La seva capacitat elèctrica és de 3860 Ah/Kg i cada una de les

seves cèl·lules proporciona 3,7 V.

Com podem veure, les bateries de ions de liti presenten clars avantatges sobre les

de níquel-hidrur metàl·lic, per això, són les que posarem a la motocicleta. Però quina

quantitat de bateries hi ficarem? Quin voltatge tindrà cadascuna?

Suposem que el rendiment del motor és d’un 80 % i que té una potència de sortida

màxima de 40.000 W. La seva potència d’entrada haurà de ser:

(40.000/80)·100= 50.000 W

Ara sabem que la potència que hauran de subministrar les bateries en el moment

que el motor funcioni al màxim serà de 50 kW. També sabem que el voltatge que

subministraran les bateries serà sempre el mateix, independentment de la potència

que requereixi el motor, per la qual cosa la intensitat variarà.

Les bateries d’alt voltatge solen ser d’entre 100 v i 300.

La de la nostra motocicleta serà de 200 V aproximadament. Per tant, la intensitat

màxima serà de:

P = V · I I = P / V

2 Efecte memòria: pèrdua de capacitat d’una bateria per càrregues i descàrregues incompletes.

20

I = 50.000 / 200 = 250 A

Cèl·lules de la bateria

Cada cèl·lula de la bateria Li-ió proporciona 3,7 volts, així que:

200 V / 3,7 V per cèl·lula = 54,05 cèl·lules

Necessitarem 55 cèl·lules a cada bateria. Finalment el voltatge i la intensitat

màxima seran de:

55 · 3,7 = 203,5 V

I = P / V I = 50.000 / 203,5 = 245,7 A

Nombre de bateries

Una cèl·lula de bateria de ions de liti té una capacitat d’1,5 Ah i pesa 10 grams

aproximadament.

El pes de la motocicleta serà, aproximadament, de 180 kg, dels quals 60 kg

seran destinats solament a l’emmagatzematge d’energia, és a dir, a les

bateries. Per tant, farem el càlcul del nombre de bateries i la durada:

60kg / 0,01 kg = 6000 cèl·lules 6000 / 55 = 109 bateries aprox.

6000 · 1,5 = 9000 Ah 9000 Ah / 109 bateries = 82,57 Ah reals (ja que les

bateries es disposaran en paral·lel).

82,57 Ah · 3600 s = 297.247,71 coulombs (amperes per segon)

297.247,71 coulombs / 245,7 A (quantitat consumida per segon) = 1.209,8

segons

1.209,8 s · (1 min / 60 s) = 20,16 min de duració de la bateria a intensitat

màxima

21

Disposició de les bateries

Aquestes es connectaran en paral·lel, ja

que el voltatge de cada bateria ja és el que

requereix la motocicleta. L’objectiu de

connectar les bateries en paral·lel és que

aquestes sumin les seves intensitats, i així

allarguin l’autonomia de la motocicleta.

En cas que les conectés les bateries en

sèrie, aquestes sumarien el seu voltatge i

no s’allargaria se n’allargaria la vida.

Cables

Tots els cables han de tenir un gruix mínim; el calcularé a partir de la intensitat

màxima que el motor pugui requerir.

Primer de tot els cables seran de coure, mineral que té una resistivitat (resistència

pròpia d’un material al pas del corrent elèctric) de 17 · 10-9 ohms.

Vull que la motocicleta només perdi el 0,1% de la seva potència en els cables quan

la intensitat que passi per aquest sigui la màxima. Per tant:

Imàx = 245,7 A P = 50.000 W

P perduda a Imàx = (50.000 / 100) · 0,1 = 50 W Es perden 50 joules per segon

Q = R · I2 · t 50 = R · 245,72 · 1 R = 50 / 60.368,49 = 8,28 · 10-4Ω

R = (ρ · l) / s

8,28 · 10-4 = (17 · 10-9 · 1) / s s = 17 · 10-9 / 8,28 · 10-4 = 2,05 · 10-5 m2

2,05 · 10-5 m2 = 20,5 mm2

Secció del cable (suposant que aquest fa un

metre de llargada) = 20,5 mm2

11

22

Per saber la secció exacta que necessitaria el cable només caldria multiplicar la seva

llargada real en metres per 20,5.

Això significa que al motor no hi arribaran 50.000 watts de potència exactament,

però així ens assegurem que la potència que hi arriba no és inferior a 49.950 W (el

0,1% de la potència subministrada).

A part, també hi hauria una força contraelectromotriu del motor, que vindria a ser

com una altra resistència, però aquesta no la tinc en compte ja que no la puc

calcular perquè no tinc les característiques d’un motor.

23

3.6. Inversor de corrent

Són convertidors estàtics d’energia que converteixen el corrent continu en corrent

altern.

El corrent continu és aquell corrent que sempre manté un voltatge positiu (o negatiu,

depenent del punt de vista), és a dir, que només circula en un sol sentit del circuit.

El corrent altern, en canvi, és aquell que passa de voltatge positiu a voltatge negatiu,

i a l’inversa, contínuament; és a dir, el corrent circula en els dos sentits del circuit.

En el corrent altern, l’amplitud d’ona és el doble del voltatge que té aquell circuit; i el

període és el temps que tarda la intensitat a fer un cicle. La freqüència és la inversa

del període (ones per segon) i es mesura en Hertz.

L’inversor és l’aparell que ens permetrà convertir el corrent continu (primera imatge)

en corrent altern (segona imatge). Tot i això, l’ona no estarà tan ben definida, patirà

canvis bruscos.

12

13

24

3.6.1. Tipus d’inversors

N’existeixen tres de bàsics: push-pull, mig pont i pont complet.

Però abans d’explicar-los, hem de tenir clar que necessitem un inversor que doni

voltatge màxim positiu, voltatge màxim negatiu i voltatge zero, ja que el nostre motor

requereix aquests tres tipus de voltatges.

Push-pull:

És un inversor que per si mateix és incapaç d’oferir voltatge 0, es necessita la

presència d’un filtre LC després de l’inversor.

Mig pont:

És incapaç d’oferir el voltatge 0, i si el volem aconseguir, també hauríem de

posar un filtre LC després de l’inversor.

14

15

25

Pont complet:

Aquest tipus d’inversor permet la modulació per ona quasi quadrada

(cancel·lació de voltatge o voltatge zero) sense cap necessitat de filtres a la

sortida.

Aquest és l’adequat per a la nostra motocicleta, per això, n’explicaré el seu

funcionament.

3.6.2. Inversor de pont complet a fons

Està format per quatre interruptors de potència controlats, que normalment

són transistors MOSFET o IBGT.

Depenent de l’estat dels interruptors, el voltatge pot ser positiu, negatiu o

zero:

A) Positiu

B) Negatiu

C) Zero

D) Zero

16

17

26

Per no crear cap curtcircuit, és important que S1 i S4 o S2 i S3 no estiguin

tancats a la vegada.

En cas que volguéssim aconseguir el corrent representat en la imatge de sota,

hauríem de configurar els transistors perquè s’obrissin i es tanquessin així:

Instant S1 S2 S3 S4

1 1 1 0 0

2 0 0 1 1

3 1 0 1 0

4 1 1 0 0

A partir de l’instant 3, el procés es repeteix.

(Més endavant explicaré com s’han de programar els transistors per al nostre circuit.)

18

27

3.7. Marxes de la motocicleta

Una motocicleta normal està proveïda de marxes mecàniques, que es basen en un

sistema d’engranatges que permeten graduar el parell i la velocitat de les rodes.

Però aquestes redueixen el rendiment de la motocicleta per culpa de fregaments i

sorolls. Per això he pensat en una altra alternativa per fer les marxes de la

motocicleta: graduar el consum d’intensitat que entra al motor.

Variant la intensitat que entra al motor, en controlarem el parell. Com més intensitat,

més parell, i a la inversa. Si ens fixem en les següents fórmules, ho veurem més clar:

P = V · I - P = F · V

Si reduïm el voltatge o la intensitat d’entrada, la potència disminuirà. Per tant, o la

força (que vindria a ser el parell) o el voltatge també es reduiran. Però en el motor

elèctric, la velocitat del motor només la determina la freqüència, per tant el que

disminuirà serà la força d’aquest.

Però aquestes marxes no funcionen com les mecàniques, sinó que tenen grans

diferències; per conduir la motocicleta caldria tenir en compte com funcionen:

En una motocicleta convencional, en augmentar la marxa, la roda guanya velocitat

angular, però perd parell; en canvi, en aquesta motocicleta, en augmenta la marxa,

la roda no guanya velocitat, però sí que perd parell.

En primera marxa, el motor d’aquesta motocicleta sempre funcionarà a màxima

potència, independentment de si accelerem molt o poc. Això és degut que, en

primera marxa, la intensitat que entra al motor sempre és la mateixa, la màxima. O

sigui que, si volem que la nostra motocicleta tingui molta acceleració, reduirem la

marxa, però la conseqüència serà que el consum augmentarà i les bateries

s’esgotaran molt més ràpidament.

És a dir, podem arribar a la velocitat màxima d’aquesta motocicleta en primera

marxa i, a més, hi arribarem més ràpidament que amb qualsevol altra marxa, però el

consum serà molt gran. A més, no fa falta l’embragatge per canviar de marxa.

28

Ara que sabem mitjançant què regularem les marxes de la motocicleta, com ho

farem per controlar-les? Molt simple, amb un reòstat o amb transistors.

3.7.1. El reòstat

El reòstat és una resistència variable. Fa la mateixa funció que un potenciòmetre, la

diferència és que el reòstat s’utilitza en circuits de gran potència.

Aquest, connectat en sèrie, controla el voltatge que passa pel circuit, i connectat en

paral·lel, en controla la intensitat.

La intenció és utilitzar un reòstat digital, amb sis resistències diferents, que

determinaran les marxes.

El reòstat es connectarà en paral·lel amb la resta del circuit de manera que, quan

aquest ofereixi una resistència molt alta, passarà més intensitat per la resta del

circuit i, quan la resistència sigui baixa, passarà més intensitat pel reòstat.

Primer de tot hem de determinar la resistència que oferirà el resistor en la primera i

en la sisena marxa. Llavors les altres marxes sortiran de divisions parcials entre

aquestes dos marxes.

Primera marxa: ha d’oferir tota la potència del motor.

Intensitat = 245, 7 amperes

Sisena marxa: com que és una motocicleta pensada per córrer en un circuit, la

potència necessària mai serà menys del 50% de la que pot oferir en total la

motocicleta, per tant la sisena marxa serà:

(245,7/100) · 50 = 122,85 amperes

A partir d’aquí, sabent la intensitat màxima i la mínima, podem trobar les altres

quatre marxes:

1. 100% intensitat (245,7/100) · 100 = 245,7 A

2. 90% d’intensitat (245,7/100) · 90 = 221,13 A

3. 80% d’intensitat (245,7/100) · 80 = 196,56 A

29

4. 70% d’intensitat (245,7/100) · 70 = 171,99 A

5. 60% d’intensitat (245,7/100) · 60 = 147,42 A

6. 50% d’intensitat (245,7/100) · 50 = 122,85 A

Ara que ja sabem les intensitats que haurà de donar-nos cada marxa, calcularé

les sis resistències diferents que ens haurà d’oferir el reòstat.

R = V / I

On I és la intensitat que ha de passar pel reòstat; és a dir, 245,7 menys la

intensitat calculada en cada cas.

1. R = 203,5 / (245,7 – 245,7) = indeterminació, però per lògica sabem que

és infinit.

2. R = 203,5 / (245,7 - 221,13) = 8,28 Ω

3. R = 203,5 / (245,7 – 196,56) = 4,14 Ω

4. R = 203,5 / (245,7 – 171,99) = 2,76 Ω

5. R = 203,5 / (245,7 – 147,42) = 2,07 Ω

6. R = 203,5 / (245,7 – 122,85) = 1,66 Ω

Marxa Potència total

utilitzada (%)

Resistència

(ohms)

Intensitat

(amperes)

1 100 ∞ 245,7

2 90 8,28 221,13

3 80 4,14 196,56

4 70 2,76 171,99

5 60 2,07 147,42

6 50 1,66 122,85

30

Com que és molt difícil que el resistor ofereixi resistència infinita, el que faré és

col·locar un interruptor a la branca on hi ha el reòstat. La primera marxa simplement

obrirà aquest interruptor de manera que tota la intensitat haurà de passar per la resta

del circuit.

Dit això, ara ja sabem que el reòstat només tindrà cinc resistències diferents.

Però el problema d’aquest és que consumeix molta energia quan està en

funcionament, és a dir, que la motocicleta gastaria energia inútilment amb qualsevol

de les marxes que no fos la primera.

3.7.2. Transistors encarregats de variar la intensitat

Aquest sistema constaria d’uns transistors específics col·locats d’una manera

específica amb l’objectiu de variar la intensitat tal i com he explicat en el reòstat,

però en aquest cas, sense consumir tanta energia. Evidentment, tot aparell té un

rendiment, però el d’aquests no té res a veure amb el del reòstat, ja que és molt més

gran.

Aquests transistors serien controlats mitjançant un circuit de control que ens

permetria elegir el seu mètode de funcionament, és a dir, canviar la marxa mitjançant

uns botons, una palanca...

Òbviament, aquest sistema és molt millor que el del reòstat i, en cas que s’hagués

de construir la motocicleta, s’hauria d’utilitzar aquest, ja que el reòstat té moltes

pèrdues. Però per trobar els transistors adequats per aquest corrent i aquest

voltatge, per connectar-los, per calcular la intensitat que t’han d’oferir... calen alts

coneixements en electrònica, per tant, continuaré explicant la motocicleta com si

s’hagués de construir amb un reòstat per variar-ne la intensitat.

31

3.7.3. Transmissió, corretja i radi de la roda

Encara que no ho sembli, aquests tres elements s’han de tenir en compte, ja que

d’això depèn la velocitat i el parell que podrà assolir la motocicleta.

Transmissió:

La motocicleta constarà de dos engranatges, un a l’eix del motor i l’altre a la roda de

darrere.

No són ben bé engranatges, sinó unes politges dentades perquè la corretja no patini.

Per decidir-ne la mida, m’he basat una mica en altres motocicletes i, com que

després decidiré les freqüències, ja les adaptaré a aquestes mides.

Politja dentada de l’eix del motor: 8 cm.

Politja dentada de l’eix de la roda: 24 cm.

Per tant, el primer sistema serà un reductor de tipus i = 0,333

Corretja:

És l’encarregada de transmetre el moviment de l’eix del motor a la roda.

He decidit transmetre-li el moviment amb un corretja ja que té més rendiment que

una cadena. A més, hi ha menys sorolls. Les Harley Davidson també transmeten el

moviment amb corretja.

19

32

Radi de la roda:

Aquest és el radi del pneumàtic, i per calcular-lo, ens hem de guiar per aquestes

fórmules:

Llanda = 17’’

Amplada del pneumàtic = 190

Relació de perfil = 0,5

re = (17 · 25,4) /2 + 190 · 0,5 = 310,9 mm

(El diàmetre de la llanda, l’amplada del pneumàtic i la relació de perfil els he extret

del pneumàtic de la Honda CBR 1000 RR, la motocicleta elegida en l’annex d’aquest

treball).

Però aquest no és el radi real de la roda quan aquesta està en moviment i li

apliquem pes a sobre, per això ens hem d’ajudar d’aquesta altra fórmula:

(on F és el coeficient del pneumàtic, que en cas de ser radial és 3)

rd = (3 · 310,9) / π = 296,89 mm

33

3.8. Accelerador

Si recordeu la fórmula de la velocitat de sincronisme del motor sabreu que aquesta

ve donada per la freqüència del corrent i pels pols del motor. En el nostre motor, els

pols sempre seran els mateixos, tres parells. Però a on vull arribar explicant això? A

un accelerador que es basi en el control de la freqüència.

nsinc = 60f / p

La freqüència és la quantitat d’ones que descriu el corrent elèctric en un segon.

3.8.1. Funcionament del variador de freqüència

El nostre variador de freqüència forma part de l’inversor explicat anteriorment.

Si ens fixem bé, l’inversor descriu “l’ona” obrint i tancant els interruptors

automàtics, i la freqüència depèn de la velocitat amb què es faci aquest

procés. Per tant, si poguéssim controlar la velocitat amb què s’obren i es

tanquen els interruptors, podríem controlar la de sincronisme del motor.

El que ara acabo d’anomenar interruptors, en realitat no ho són, són

transistors MOSFET’s, i en controlaré la velocitat en què s’obren i es tanquen

mitjançant un circuit de control.

El circuit de control és un circuit a part que funciona a un voltatge i una

intensitat molt més baixes que les del circuit principal, i així evitar que la

persona que l’utilitzi manipuli circuits per on passi una potència molt gran. El

circuit de control només serveix, lògicament, per controlar el circuit principal.

No entraré en detall de com funcionaria aquest circuit de control, ja que

caldria tenir molts coneixements en electrònica per dissenyar-ne un que fes

aquest funció, però ens hem de quedar amb la idea que amb aquest circuit de

control regularem la velocitat amb la qual s’obren i es tanquen els transistors

MOSFET, i així variarem la freqüència del corrent provocant un canvi de la

velocitat de gir del motor.

34

3.8.2. Càlcul del rang de freqüències

El conductor de la motocicleta variarà la freqüència mitjançant el típic

maniguet mòbil d’una moto normal i corrent. Però quin rang de freqüències

ens oferirà? Seguidament el calcularem:

Primer de tot, ens hem de mentalitzar que variar la freqüència significa variar

les revolucions i el parell del motor. Per això hem de buscar un equilibri entre

ells.

Per calcular tot el rang de freqüències primer hem de calcular la freqüència

mínima necessària perquè la motocicleta arrenqui en primera marxa en un

pendent bastant fort, per exemple, del 60 %:

- Que el pendent sigui del 60% significa que de cada 100 metres recorreguts

en horitzontal se’n puja 60 en vertical. Per calcular l’angle del pendent

apliquem una fórmula trigonomètrica:

tg α = sin α / cos α = 60 / 100 = 0,6

arc tg α = 30,96º α = 30,96º

- La motocicleta ha de superar tres forces: la component de la força del pes

motocicleta + pilot que estira el conjunt en el sentit i direcció de la baixada, la

força de rodolament pel fregament del terra i la força de fregament de la

motocicleta amb l’aire.

Massa de la motocicleta (aproximada) = 180 kg

Massa del pilot (aproximada) = 85 kg

Pes del conjunt = m · g = (180 + 85) · 9,81 = 2.599,65 N

Px = P · sin α = 2.599,65 · sin 30,96 = 1.337,36 N

Py = P · cos α = 2.599,65 · cos 30,96 = 2.229,27 N

δ = 0,01 (coeficient de rodolament aproximat)

FR = (N · δ) / r = (2.229,27 · 0,01) / 297 = 0,075 N

35

Fft = PY · me = 2.229,27 · 1,02 = 2.273,86 N

Ffa = ½ · Cx · s · v2 = 0 (com que la moto està parada, la velocitat és 0)

FR = Px + Fft (FR) + Ffa

FR = 2.599,65 + 2.273,86 · 0,075 + 0 = 2.770,33 N

- Si contem el rendiment de la transmissió, la força que haurà de fer la roda

sobre el terra serà més gran, però com que no hi haurà cap marxa pel mig i la

transmissió s’efectuarà a través d’una corretja, el rendiment serà més alt (del

96% aproximadament).

FRoda = FR / η = 2.770,33 / 0,96 = 2.885,76 N

- Aquesta és la força que haurà de fer la roda sobre el terra, però quina haurà

d’efectuar el motor? Ho hem de calcular tenint en compte les relacions de

transmissió i el radi de la roda.

Diàmetre de la roda = 594 mm (el doble aproximat del radi calculat

anteriorment)

Diàmetre de l’engranatge de sortida del motor = 8 cm

Diàmetre de l’engranatge de la roda = 24 cm

τ3 = (F / 2) · D3 = (2.885,76 / 2) · 0,594 = 857,07 N

Com que D2 i D3 estan situats al mateix eix, τ2 és igual a τ3.

τ1 / τ2 = D1 / D2

τ1 = D1 · τ2 / D2 = (0,08 · 857,07) / 0,24 = 285,69 Nm

- El parell del motor ha de ser 285,69 Nm en primera marxa i amb la

freqüència mínima. Per tant, les rpm del motor seran:

Pútil motor = 40.000 W

P = τ · ω ω = P / τ = 40.000 / 285,69 = 140,01 rad/s

140,01 rad/s · 1 volta / 2 π radians · 60 s / 1 min = 1.337,01 rpm

36

- Ara ja tenim les rpm del motor, només ens falta calcular la freqüència del

corrent a partir del lliscament, o sigui, el retard que té la velocitat de l’eix del

motor respecte a la de sincronisme:

Lliscament = voltes que fa l’eix del motor quan el corrent ha recorregut les tres

fases (d’això en direm volta sincrònica). El lliscament en motors grans sol ser

al voltant de 0,99 voltes.

Rpm sincròniques = rpm eix del motor / lliscament

Rpm sincròniques = 1.337,01 / 0,99 = 1350,51 rpm

- Ara que ja tenim la velocitat de sincronisme, finalment podem passar a saber

quina serà la freqüència mínima del corrent:

nsinc = 60f / p f = (nsinc · p) / 60

f = (1.350,51 · 3) / 60 = 67,53 Hz

Ara que ja tenim la freqüència mínima del corrent, hem de calcular la màxima

a partir de la primera marxa, que serà quan el motor donarà tota la potència

possible i el parell necessari per mantenir la motocicleta a la velocitat màxima.

F Força de la roda -

FR Força resistent -

Ffa Força de fricció de l’aire -

Fft Força de fricció del terra -

Densitat de l’aire 1,18kg/m3 (20ºC)

S1 Superfície frontal de la moto 0,25 m2

Cx1

Cx2

S2

Coeficient de fricció dinàmic del terra

Coeficient de fricció de la moto

Coeficient de fricció del pilot

Superfície frontal del pilot

1

0,32

0,4

0,1 m2

37

Per calcular la freqüència màxima del corrent, utilitzarem la taula anterior i la

fórmula següent, que també hem fet servir en el cas anterior:

FR = Px + Fft (FR) + Ffa

Px Com que el càlcul de la velocitat màxima ho fem en pla, Px és 0, ja que

és el producte del pes del conjunt pel sinus de l’angle del pla (sin 180º = 0).

Px = P · sin180º = 2.599,65 · 0 = 0 N

Ffa En aquest cas la motocicleta anirà a una certa velocitat, per això, la

força de fregament de l’aire serà diferent de zero.

Ffa = ½ · (Cx1 · s1 + Cx2 · s2) · v2 = ½ · 1,18 · (0,32 · 0,25 + 0,4 · 0,1) · v2

Ffa = 0,59 · 0,12 · v2

Ffa = 0,0708v2

Fft (FR) Aquí el coeficient de fricció del terra és diferent, ja que no és

dinàmic, sinó estàtic. La força de rodolament també varia una mica:

Fft = N · 2.599,65 · 1 = 2.599,65 N

FR = (N · δ) / r = (2.599,65 · 0,01) / 297 = 0,088 N

Fft · FR = 2.599,65 · 0.088 = 227,54 N

Finalment obtenim que:

FR = Px + Fft (FR) + Ffa = 0 + 0,0708v2 + 227,54

Però solament amb aquesta fórmula no en tenim prou per saber la freqüència

màxima del corrent, primer hem de saber la velocitat màxima que assolirà la

moto:

P = FR · v

40.000 · 0,96 = FR · v

38.400 = (0,0708v2 + 227,54) · v

0,0708v3 + 227,54v – 38.400 = 0 v = 68,547 m/s = 246,77 km/h

38

Ara ja sabem que la motocicleta agafarà una velocitat màxima de 246,77km/h.

Però la dada important és la velocitat lineal màxima de la roda (que és la

mateixa), ja que gràcies a ella podrem saber la freqüència màxima del corrent.

Ara calcularé la velocitat angular del motor tenint en compte les relacions de

transmissió:

Vroda = 68,547 m/s

ωroda = Vroda / radi = 68,547 / 0,297 = 230,8 rad/s

ω2 = ωroda

ω3 = ωmotor

ω3 = (ω2 · D2) / D3 = (230,8 · 0,24) / 0,08 = 692,4 rad/s

Sabent la velocitat angular del motor, podrem calcular la velocitat angular

sincrònica tenint en compte el lliscament i, a partir d’aquesta, calcular la

freqüència del corrent elèctric:

ωsincrònica = ω / 0,99 = 692,4 / 0,99 = 699,39 rad/s

699,39 rad/s · 1 volta / 2 π radians · 60 s / 1 min = 6.678,68 rpm

nsinc = 60f / p f = (nsinc · p) / 60

f = (6.678,68 · 3) / 60 = 333,93 Hz

Dades finals

Freqüència mínima 67,53 Hz

Freqüència màxima 333,93 Hz

Velocitat màxima 246,77 km/h

39

3.9. Desfasament del corrent

El motor rebrà l’energia que el farà girar en forma d’electricitat per tres fases

diferents. Aconseguiré transformar el corrent continu en corrent altern amb inversors

que aprofitaré, també, per variar la freqüència, i així canviar la velocitat de gir del

motor.

La freqüència del corrent ha de ser la mateixa per les tres fases, però han d’estar

desfasades, és a dir, no han d’anar les tres a la vegada, sinó una després de l’altra.

Per aconseguir aquest desfasament hi ha dos mètodes: col·locaré unes bobines

prèviament escollides, o bé controlaré els transistors MOSFET per tal que produeixin

les ones una després de l’altra. A continuació estudiaré els dos processos i en triaré

el més adequat.

3.10.1 Bobines

Una bobina té la capacitat de retardar el corrent quan aquest passa pel seu interior.

Per entendre’ns millor, per travessar una bobina, el corrent necessita més temps que

per travessar un cable. Aquest temps l’anomenarem temps de càrrega.

El temps de càrrega serà l’encarregat de desfasar-nos el corrent, de manera que,

elegint correctament les bobines, ens farà arribar el corrent en temps diferents en les

tres fases.

Tipus de bobines

Primer de tot hem de saber quants graus hauran de desfasar les bobines el corrent.

Això ho podem saber fixant-nos en la següent imatge, ja apareguda anteriorment:

La distància màxima entre dos màxims consecutius

d’una funció com la de la imatge és 2 π radians, és a

dir 360º. Aquests 360º són iguals al període de l’ona.

20

40

En la imatge podem veure que les ones estan allunyades una sisena part del

període. Cosa que ens portar a deduir que:

1 període = 2 π radians

1/6 període = 2 π radians · 1/6 = 1,048 radians

1,048 radians · 360º/ 2 π radians = 60º

Com que les ones estan allunyades 2/6 respecte al període:

60º · 2 = 120º

Ara ja sabem que el corrent de les tres fases ha d’estar desfasat 120º entre si; és a

dir, en la primera fase no hi ficarem cap bobina, en la segona n’hi ficarem una que

desfasi el corrent 120º i en la tercera, una altra que desfasi el corrent 240º.

3.9.2. Transistors MOSFET

Cada fase del motor tindrà el seu propi inversor; és a dir, cada fase tindrà quatre

transistors MOSFET.

Sabent això i fixant-nos en l’apartat explicat anteriorment 3.5.3. (Funcionament del

motor elèctric) i recordant el funcionament dels transistors MOSFET, podem arribar a

deduir que no fa falta col·locar cap bobina per desfasar el corrent.

En primer lloc cal dir que l’ona formada pels inversors no és perfecta, sinó que forma

tres tipus “d’esglaons” (un, al voltatge màxim, un altre, al mínim, i l’altre, al zero). En

segon lloc, hem de recordar que a partir de l’instant 6, l’inversor repeteix el procés.

Un cop aclarit això, passem a estudiar què necessita cada fase en els primers sis

instants fixant-nos en la imatge:

20

41

Instant 0 Instant 1 Instant 2 Instant 3 Instant 4 Instant 5

Fase U V = 0 V = Màx. V = Màx. V = Mín. V = Mín. V = 0

Fase V V = Mín. V = 0 V = 0 V = Màx. V = Màx. V = Mín.

Fase W V = Màx. V = Mín. V = Mín. V = 0 V = 0 V = Màx.

Un cop han passat sis instants, el procés es repeteix per a totes les fases. D’aquesta

manera aconseguirem corrent altern i desfasat entre les tres fases.

3.9.3. Decisió

Després d’explicar els dos mètodes es pot observar clarament que el segon és molt

millor, ja que en aquest no hi ha cap necessitat de posar cap tipus d’element nou i és

molt més simple.

42

4. El generador elèctric

En aquest apartat explicaré el funcionament i la connexió amb el circuit elèctric

general d’un aparell que permetrà recarregar les bateries de la motocicleta mentre

aquesta està en funcionament.

Aquest aparell serà activat manualment pel pilot de la motocicleta en el moment que

vulgui reduir la velocitat. Això vol dir que l’energia cinètica (energia que té un cos

quan està en moviment) de la motocicleta es transformarà en energia elèctrica per

recarregar les bateries.

Aquest aparell només s’haurà d’activar en el moment que el pilot vulgui frenar, ja que

sempre que s’activi reduirà la velocitat.

La instal·lació del generador és totalment opcional, ja que si la motocicleta està

pensada per córrer en circuit, els trams en els quals haurà de frenar seran molt curts,

i l’energia elèctrica que produiria no compensaria l’energia que s’hauria de gastar per

portar més pes.

Personalment jo no li posaria, ja que aquesta motocicleta està pensada per córrer en

un circuit, però de totes maneres és interessant estudiar-ho ja que en cas que la

volguéssim utilitzar en la carretera el generador seria útil.

43

4.1. Explicació principal

Es defineix com a generador elèctric el dispositiu capaç de transformar energia

mecànica en energia elèctrica mitjançant l’acció d’un camp magnètic sobre uns

conductors elèctrics.

És exactament el procés contrari al motor elèctric:

Si fem girar una bobina entre dos imants o fem girar uns imants dins d’un estator

amb bobines, el camp magnètic produeix un corrent elèctric que circula per dins les

bobines i es pot transportar fins on es desitja (en el nostre cas, fins a les bateries).

21

44

4.2. Funcionament

Com he dit abans, existeixen dos tipus principals de generadors, els que tenen els

imants al rotor i les bobines al estator, i els que ho tenen a la inversa.

El de la motocicleta serà amb els imants al rotor i les bobines a l’estator, ja que per

les bobines és per on sortirà el corrent elèctric, i si les poso al rotor caldrà posar

unes escombretes perquè els cables no s’enrotllin, i aquestes escombretes

disminueixen el rendiment.

Per ser més precisos, només hi haurà una bobina a l’estator. Aquesta consistirà en

cable enrotllat al voltant d’un anell. A dins d’aquest anell s’hi col·locarà un eix amb

imants, i aquest eix es connectarà a l’eix del motor mitjançant un sistema de

transmissió.

22

45

4.3. Sistema de transmissió

Per portar el moviment de l’eix del motor fins a l’eix del generador ens farà falta un

sistema de transmissió.

Aquest consistirà en un engranatge situat a l’eix del motor enllaçat amb una corretja

amb un altre engranatge situat al seu costat, que transmetrà el moviment a un eix

que en polsar l’embragatge s’unirà amb l’eix del generador.

En la imatge número 23 en podem veure la representació:

Les línies verdes representen el sistema de transmissió del motor a la roda de la

motocicleta, mentre que les línies grises representen el sistema de transmissió del

motor al generador. Aquest sistema de transmissió consta de:

-Engranatge de sortida del motor (8 cm de radi)

-Engranatge d’entrada al generador (8 cm de radi)

-Sistema d’embragatge (explicat posteriorment)

23

MOTOR GENERADOR

RODA

46

4.3.1. Sistema d’embragatge

L’embragatge és un sistema que ens permet transmetre i deixar de transmetre

moviment d’un eix a un altre, és a dir, ens permet portar el moviment de l’eix del

motor a un altre eix quan és necessari. Aquest sistema s’utilitza especialment pels

canvis de marxes.

En una motocicleta convencional el canvi de marxes consisteix en utilitzar

engranatges diferents per variar el parell i la velocitat gir de les rodes, però no es pot

canviar l’engranatge mentre està tot en moviment, ja que es produirien molts cops i

fregaments que els acabarien fent malbé. Per això l’embragatge deixa de transmetre

el moviment a aquests engranatges quan es vol canviar de marxa.

En aquest cas utilitzaré l’embragatge d’una altra manera. La seva funció consistirà

en no transmetre mai el moviment a l’eix del generador, excepte quan el pitgem.

En accionar l’embragatge, l’eix del motor transmetrà el moviment al generador, i així

aquest podrà produir energia elèctrica.

Funcionament

La número 24 correspon al moment en que el

sistema d’embragatge d’aquesta motocicleta no

està accionat.

El “tub” que està a l’esquerra correspon a l’eix

que està connectat al motor, i el de la dreta

correspon a l’eix del generador.

Com podem veure, aquests dos no estan connectats, és a dir, no es transmet

moviment.

24

47

En canvi, la número imatge 25 correspon al

mateix sistema d’embragatge, però en el moment

en que està accionat.

Es pot apreciar que ara els dos eixos estan units

mitjançant les peces blaves (l’embragatge en si), i

per tant ara sí que es transmet moviment.

4.4. El díode

És un component electrònic que permet el pas del corrent només cap a un sentit, és

a dir, el corrent pot passar, per exemple, d’esquerra a dreta, però no de dreta a

esquerra.

L’objectiu d’aquest és connectar-lo entre les bateries i el generador, de manera que

permeti el pas de corrent elèctric del generador a les bateries, però no de les

bateries al generador.

Aquest servirà d’element de protecció, perquè si en algun cas el pilot es deixa les

bateries connectades al generador amb la motocicleta parada, no quedi el circuit

tancat i es descarreguin les bateries utilitzant el generador com un motor elèctric.

25

48

5. Circuit elèctric general

ON/OFF Interruptor d’engegada/aturada

R1 Reòstat

I2 Interruptor per posar/treure la primera marxa

I3 Interruptor doble

M1-12 Transistors MOSFET

B1-6 Bobines del motor (el quadre de rectes discontínues indica que són dins del

motor).

Generador Aparell encarregat de recarregar les bateries quan la motocicleta

frena.

Díode Aparell que només deixa passar el corrent en a un sentit.

26

49

6. Conclusions

En primer lloc voldria dir que fent aquest treball he gaudit més del que m’esperava,

encara que al principi vaig tenir grans dificultats per decidir cap a on enfocar el

projecte.

En segon lloc, vull dir que he après molt sobre els motors elèctrics i he hagut de

posar en pràctica coneixements estudiats en el primer curs de batxillerat i d’altres

coneixements que he hagut d’aprendre per poder continuar endavant. I són aquests

nous coneixements els que han fet d’aquest treball un passatemps entretingut, ja

que sense donar-me’n compte, he anat aprenen coses noves sobre el món de la

tecnologia, coses que en un futur segurament hauré d’estudiar i que ara ja sabré.

En tercer lloc, m’ha sorprès el funcionament dels motors elèctrics. El trobo fantàstic.

A més, penso que serà el motor dels vehicles del futur, n’estic gairebé segur, ja que

no contamina i té un rendiment molt alt.

Per últim, només em queda dir que aquest treball m’ha motivat encara més a

estudiar la carrera d’enginyeria de tecnologia industrial.

Em sento orgullós del que he fet i espero que, els que l’hagueu llegit, n’hagueu

gaudit tant com jo n’he gaudit fent-lo.

50

7. Agraïments

M’agradaria donar les gràcies a l’Edgard Vilaseca Canal (actual estudiant de la UPC

de Barcelona) per proporcionar-me informació i apunts de tot tipus i resoldre’m

alguns dubtes que m’anaven apareixent al llarg del treball.

També voldria donar les gràcies als meus pares per recolzar-me durant tot el treball.

51

8. Bibliografia i bibliografia web

Informació sobre els motors elèctrics: http://www.mcgraw-

hill.es/bcv/guide/capitulo/8448198697.pdf (web visitat el 29 de juliol de 2012).

Informació sobre els motors elèctrics: http://www.mcgraw-

hill.es/bcv/guide/capitulo/8448173104.pdf (web visitat el 14 d’agost de 2012).

Informació sobre motors elèctrics asíncrons de rotor en curtcircuit:

http://es.scribd.com/doc/39918447/5/MOTOR-ASINCRONO-DE-ROTOR-EN-

CORTOCIRCUITO (web visitat el 18 d’agost de 2012).

Informació sobre el corrent elèctric:

http://centros5.pntic.mec.es/ies.victoria.kent/Rincon-C/pregunta/p-19/p-19.htm (web

visitat el 22 d’agost de 2012).

Informació sobre els inversos i altres elements electrònics: http://tec.upc.es/el/TEMA-

5%20EP%20(v1).pdf (web visitat el 24 d’agost de 2012).

Informació sobre bateries:

http://www.univalle.edu/publicaciones/journal/journal22/pagina07.pdf (web visitat el

28 d’agost de 2012).

Informació sobre electromagnetisme: http://www.koremag.com/ (web visitat el 5 de

setembre de 2012).

Informació sobre bateries: http://www.directindustry.es/ (web visitat el 15 de

setembre de 2012).

Informació sobre bateries: http://es.wikipedia.org/wiki/Amperio-hora (web visitat el 20

de setembre de 2012).

Informació sobre el generador de corrent elèctric:

http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/magnet/gen

erador.html (web visitat el 27 de setembre de 2012).

Informació sobre embragatges: http://www.youtube.com/watch?v=mtcEFCiPOkA

(web visitat el 29 de setembre de 2012).

52

Informació general de les motocicletes: SARAROLS, Miquel PDF Cinemàtica i

Dinàmica de la motocicleta (consultat el 3 de gener de 2012).

Informació sobre motors de combustió interna: SANZ, Santiago Motors (llibre

consultat el 20 de juliol de 2012).

Informació sobre canvis de marxes, tipus de transmissions i càlculs de forces que

actuen sobre vehicles: LIESA, Francisco Vehicles II (Escola tècnica superior

d’enginyeria industrial de Barcelona) (llibre consultat el 27 d’agost de 2012).

Informació sobre transmissions i altres: ZAYAS, Enrique i MARTÍNEZ, Jordi

Tecnologies de Fabricació i Tecnologia de Màquines (Escola tècnica superior

d’enginyeria industrial de Barcelona) (llibre consultat l’1 de setembre de 2012).